DE948020C - Crosshead internal combustion engine - Google Patents

Crosshead internal combustion engine

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DE948020C
DE948020C DEM8880A DEM0008880A DE948020C DE 948020 C DE948020 C DE 948020C DE M8880 A DEM8880 A DE M8880A DE M0008880 A DEM0008880 A DE M0008880A DE 948020 C DE948020 C DE 948020C
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Germany
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piston
internal combustion
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piston rod
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Expired
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DEM8880A
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German (de)
Inventor
Franz Gebhart
Dr Dietrich V Lassberg
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MAN AG
Original Assignee
MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/0015Multi-part pistons
    • F02F3/0023Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/10Connection to driving members
    • F16J1/12Connection to driving members with piston-rods, e.g. rigid connections

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

Kreuzkopfbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Leichtmetallkolben und einer in dem Kolben angreifenden, aus Stahl bestehenden Kolbenstange. Sie beschränkt sich auf Kreuzkopfbrennkraftmaschinen mit relativ großem, ungekühltem Leichtmetallkolben, d. h. sie gilt nicht für sogenannte »kreuzkopflose« Maschinen und nicht für Leichtmetallkolben, welche von Kühlwasser, Kühlöl od. dgl. durchströmt werden.Crosshead Internal Combustion Engine The invention relates to an internal combustion engine with light metal pistons and one made of steel and engaging in the piston Piston rod. It is limited to cross-head internal combustion engines with a relatively large, uncooled light metal piston, d. H. it does not apply to so-called "crossheadless" Machines and not for light metal pistons, which of cooling water, cooling oil or the like. are flowed through.

Es ist zwar für kleinere Brennkraftmaschinen bekannt, Leichtmetallkolben zu verwenden, und es ist auch schon vorgeschlagen worden, größere Kolbenmaschinen mit Kolben aus Leichtmetall auszuführen, doch hat man bisher bei größeren Brennkraftmaschinen mit Kreuzkopf stets geglaubt, daß man bei diesen relativ großen Abmessungen von z. B. etwa 300 mm Durchmesser und mehr mit ungekühlten Kolben nicht auskommen kann. Da gekühlte Kolben einen erheblichen Aufwand an Teilen für die Kühlmittelzu- und -abführung und für die Rückkühlung derselben erfordern und außerdem durch ihre Vielteiligkeit entsprechend schadensanfällig sind, hat man sich daher bereits die Aufgabe gestellt, Kolben von einer den bei Kreuzkopfmaschinen vorliegenden Verhältnissen entsprechenden Größe aus Leichtmetall unter Weglassung jeglicher Kühlung mit einer aus Stahl gefertigten Kolbenstange zu verbinden. Obwohl man sich darüber im klaren war, daß bei Leichtmetallkolben infolge ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit mehr Wärme vom Verbrennungsraum in die Zylinderwand abgeführt wird und man sie daher gegebenenfalls ungekühlt ausführen könnte, bereitete das Problem der Verbindung von Kolben und Kolbenstange jedoch insofern besondere Schwierigkeiten, da einerseits die Kolbenstange aus Stahl einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der aufgesetzte Leichtmetallkolben besitzt und zum anderen der Kolben auch noch im Betrieb wesentlich höhere Temperaturen als die Kolbenstange annimmt.Although it is known for smaller internal combustion engines to use light metal pistons, and it has also been proposed to make larger piston machines with pistons made of light metal, it has been previously believed in larger internal combustion engines with crossheads that one with these relatively large dimensions of z. B. about 300 mm in diameter and more with uncooled piston can not do. Since cooled pistons require a considerable amount of parts for the coolant supply and discharge and for the recooling of the same and are also prone to damage due to their many parts, the task has therefore already been set to produce pistons of a size corresponding to the conditions in cross-head machines To connect light metal, omitting any cooling, with a piston rod made of steel. Although it was clear that with light metal pistons, due to their better thermal conductivity, more heat is dissipated from the combustion chamber into the cylinder wall and that they could therefore be carried out without cooling if necessary, the problem of connecting the piston and piston rod caused particular difficulties because, on the one hand, the Piston rod made of steel has a lower coefficient of thermal expansion than the attached light metal piston and, on the other hand, the piston also assumes significantly higher temperatures than the piston rod during operation.

Die bisher bei Kolben dieser Größe üblichen Befestigungsarten zwischen Kolben und Kolbenstange sind zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe nicht geeignet, da bei diesen entweder die zu verbindenden Teile keine derart unterschiedlichen Wärmedehnungszahlen aufweisen oder die Wärmebeanspruchung durch ein Kühlmittel verringert wurde. Bei Verwendung von Leichtmetall als Kolbenwerkstoff und Stahl für die Kolbenstange würde beispielsweise bei einer bekannten Verbindung; bei der die beiden Teile durch eine ringförmige Einsatzbüchse zusammengehalten sind, welche sich einerseits gegen das flanschartig erweiterte Ende der Kolbenstange und andererseits gegen eine entsprechende Fläche des' Kolbenkörpers stützt, infolge der stark unterschiedlichen Wärmedehnungszahlen und des zwangweise vorzusehenden Spiels die dünne Büchse am unteren Rand erheblichen Deformationen ausgesetzt sein, so daß eine einwandfreie Verbindung von Kolben und Kolbenstange auf diese Weise nicht erzielbar ist.The previously common types of fastening between pistons of this size Pistons and piston rods are not suitable for solving the problem according to the invention, because with these either the parts to be connected are not so different Have coefficients of thermal expansion or the thermal stress caused by a coolant is reduced became. When using light metal as the piston material and steel for the piston rod would for example with a known connection; in which the two parts go through an annular insert sleeve are held together, which on the one hand against the flanged end of the piston rod and on the other hand against a corresponding one The surface of the 'piston body is supported due to the widely differing coefficients of thermal expansion and the game to be compulsorily provided, the thin sleeve at the lower edge considerable Be exposed to deformations, so that a proper connection of the piston and Piston rod cannot be achieved in this way.

Ebensowenig kann eine bei wenig beanspruchten Kolbenmaschinen, z. B. Dampfmaschinen oder Kompressoren, gebräuchliche Befestigung von Kolben und Kolbenstange als Vorbild dienen, bei welcher die letztere mit einer konischen Büchse aus Stahl verschraubt ist, die, über die ganze Länge des Kolbens reichend, in demselben mittels auf ihrer Mantelfläche angeordneter ringförmiger Vorsprünge eingesetzt ist. Durch die wesentlich höhere Wärmebelastung bei Brennkraftmaschinen und die fehlende Flüssigkeitskühlung ist ein Lockern der Zwischenbüchse unvermeidlich und eine derartige Verbindung für Brennkraftmaschinen daher unbrauchbar.Just as little can a piston engine with little stress, z. B. steam engines or compressors, common attachment of piston and piston rod serve as a model, in which the latter with a conical sleeve made of steel is screwed, which, extending over the entire length of the piston, in the same means is used on its lateral surface arranged annular projections. By the significantly higher heat load in internal combustion engines and the lack of liquid cooling loosening of the intermediate sleeve is inevitable and such a connection for Internal combustion engines are therefore unusable.

Verbindungen von Stahlstange und lediglich als Ringträger dienendem Leichtmetallkolben bei Stufenkolben, bei welchen der aus dem Baustoff geringerer Wärmeausdehnung hergestellte Körper den anderen an der Verbindungsstelle umfaßt und der Teil geringerer Ausdehnung mit Innengewinde, der andere mit Außengewinde versehen ist, ermöglichen infolge der unterschiedlichen . Wärmedehnung Relativbewegungen im Gewinde, welche zur Bildung von Passungsrost und ähnlichen Erscheinungen führen. Gleichzeitig schafft sich dadurch das Gewinde immer mehr Luft, so daß die Verbindung an Vorspannung verliert.Connections of steel rod and only serving as a ring carrier Light metal pistons with stepped pistons, in which the one made from the building material is less Thermal expansion produced body includes the other at the connection point and the part of lesser extent with internal thread, the other with external thread is provided, allow due to the different. Thermal expansion relative movements in the thread, which lead to the formation of fretting corrosion and similar phenomena. At the same time, the thread creates more and more air, so that the connection loses preload.

Bei einer weiteren allgemein üblichen Befestigungsart der Kolbenstange am unteren Rande des Kolbens einer Kreuzkopfmaschine wächst der Kolben infolge seiner Wärmeausdehnung zwischen den Befestigungsschrauben stärker, wodurch das Kolbenhemd unrund wird und im Betrieb ungleichmäßig trägt.In another generally customary type of fastening of the piston rod at the lower edge of the piston of a crosshead machine, the piston grows as a result of it Thermal expansion between the fastening screws increased, causing the piston skirt becomes out of round and wears unevenly during operation.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch. behoben, daß die Verbindungsstelle eifies relativ großen - ungekühlten Leichtmetallkolbens mixt der an ihrem Ende mit einem Ringflansch versehenen Kolbenstange. aus Stahl beträchtlich oberhalb des unteren Kolbenrandes und in einer Durchmesserebene des Kolbens vorgesehen wird, in welcher der Kolbendurchmesser kleiner ist als der größte Durchmesser dies Kolbenhemdes. Durch diese Maßnahme kommt die Verbindungsstelle also in einen Bereich zu liegen, in dem der Leichtmetallkolben infolge seiner Konizität nicht mehr zum Anlaufen in der Zylinderbüchse kommt, so da.ß ein Unrundwerden des Kolbens infolge der ungleichförmigen Wärmeausdehnung von Kolben und Kolbenstange an .der Verbindungsstelle mit der Kolbenstange sich nicht mehr sohäddich auswirken kann. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, daß im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Kolben und Kolbenstange der Kolben zylindrisch ausgeführt ist. Wesentlich ist jedenfalls, daß der Durchmesser des Kolbens in diesem Bereich kleiner ist als der größte Durchmesser des Kolbens. Durch die Befestigung des flansehartigen Endes der Kolbenstange unmittelbar an einem entspreohenden Absatz im Kolben ,ergibt sich eine außerordentlich feste Verbindung, welche Bewegungen von Kolben und Kolbenstange zueinander an deren Berührungsfläche verhindert. Die Verformung des Kolbens an dieser Stelle bleibt demnach im wesentlichen auf das durch die Wärmedehnung der stählernen Kolbenstänge bedingte Maß beschränkt. Gleichzeitig weist der Kolben selbst :in diesem Bereich eine wesentlich größere Steifigkeit auf, so daß er hier weniger leicht der Tendenz zum Unrundwerden folgen kann, als dies am verhältnismäßig dünneren Unterteil des Kolbenlhiemdes -der Fall ist.According to the invention, these disadvantages are thereby eliminated. fixed that junction eifies relatively large - uncooled light metal pistons that mix at their end a piston rod provided with an annular flange. made of steel well above the lower one Piston edge and is provided in a diameter plane of the piston in which the piston diameter is smaller than the largest diameter of this piston skirt. With this measure, the connection point comes to lie in an area in which the light metal piston no longer starts to run in due to its conicity the cylinder liner comes, so that the piston becomes out-of-round as a result of the non-uniform Thermal expansion of the piston and piston rod at the connection point with the piston rod can no longer affect you. Of course there is also the possibility that in the area of the junction between the piston and piston rod, the piston is cylindrical. In any case, it is essential that the diameter of the piston in this area is smaller than the largest diameter of the piston. Through the Attachment of the flange-like end of the piston rod directly to a corresponding one Heel in the piston results in an extraordinarily firm connection, which movements of piston and piston rod to each other at their contact surface prevented. the Deformation of the piston at this point therefore remains essentially due to the thermal expansion of the steel piston rods is limited. Simultaneously if the piston itself: has a significantly greater rigidity in this area, so that he can follow the tendency to become out of round here less easily than this is the case on the comparatively thinner lower part of the piston sleeve.

In der Zeichnung ist ein Axialschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens nach der Erfindung dargestellt.The drawing shows an axial section through an exemplary embodiment of a piston according to the invention.

Auf der Kolbenstange i ist mit Hilfe von mehreren Dehnschrauben a der Kolbenkörper 3 befestigt. Die Verbindungsstelle q. zwischen der Kolbenstange i und dem Kolbenkörper 3 liegt im Bereich der Ringpartie c, welche gegenüber dem zylindrischen Teil a des Kolbenkörpers 3 einen kleineren Durchmesser aufweist. Es ist dabei nicht unbedingt -erforderlich, daß der Kolbenkörper 3 auf der Länge b konisch verläuft, er kann nach einem kurzen Zwischenstück im oberen Teil ebenfalls zylindrisch ausgebildet sein, nur ist dieser obere Kolbenteil nicht tragend; d. h. sein Durchmesser ist etwas kleiner als der des unteren tragenden Kolbenrhemdes.On the piston rod i is a the piston body 3 attached. The junction q. between the piston rod i and the piston body 3 is in the area of the ring belt c, which is opposite the cylindrical part a of the piston body 3 has a smaller diameter. It is not absolutely -required that the piston body 3 on the length b runs conically, it can also after a short intermediate piece in the upper part be cylindrical, only this upper piston part is not load-bearing; d. H. its diameter is slightly smaller than that of the lower supporting piston skirt.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE: i. Kreuzkopfbrennkraftmaschine mit relativ g oßem, ungekühltem Leichtmetallkolben und einer in dem Kolben angreifenden, aus Stahl bestehenden Kolbenstange, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle zwischen Kolben (3) und Kolbenstange (i) beträchtlich oberhalb des unteren Kolbenrandes und in einer Durchmesserebene (q.) des Kolbens liegt, bei welcher der Kolbendurchmesser kleiner ist als der größte Durchmesser des Kolbenhemdes. PATENT CLAIMS: i. Cross-head internal combustion engine with a relatively large, uncooled light metal piston and one engaging in the piston, made of steel existing Piston rod, characterized in that the connection point between pistons (3) and piston rod (i) well above the lower edge of the piston and in one The diameter plane (q.) Of the piston lies at which the piston diameter is smaller is than the largest diameter of the piston skirt. 2. Kreuzkopfbrennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle (q.) zwischen Kolbenkörper (3) und Treibstange (i) @im Bereich (c) der Kolbenringe liegt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentsohriften Nr. 457:239, 3.20 82q.; französische Patentschrift Nr. 696 863; Prof. Dr. F. Saß, »Bau und Betrieb von Dieselmaschinen«, 1948, S.286, 287.2. Cross-head internal combustion engine according to claim i, characterized in that the connection point (q.) Between the piston body (3) and the drive rod (i) is in the area (c) of the piston rings. Considered publications: Deutsche Patentsohriften No. 457: 239, 3.20 82q .; French Patent No. 696,863; Prof. Dr. F. Saß, "Construction and Operation of Diesel Engines", 1948, p.286, 287.
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